第三章-动力蓄电池及储能装置.ppt

第三章动力蓄电池及储能装置 按反应原理分为三大类 碱性电池以氢氧化钾水为电解液 如碱性锌锰电池 镍镉电池 镍氢电池等 按电池的电解液种类分为四大类 酸性电池主要以硫酸水溶液为介质 如铅酸蓄电池 中性电池以盐溶液为介质 如锌锰干电池 有机电解液电池以有机溶液为介质 如锂电池 锂离子电池等 一 电能储存装置的种类 锌系列有锌锰电池 锌银电池等 按电池的正负极材料分为六大类 按电池特征功能分为四大类 镍系列有镍镉电池 镍氢电池等 锂系列有锂离子电池 锂锰电池 聚合物锂电池 磷酸铁锂电池 二氧化锰系列有锌锰电池 碱锰电池等 空气 氧气 系列有锌空气电池 铝空气电池等 一次电池为不可充电的原电池 若电解质不流动则称干电池 二次电池为可充电的蓄电池 是目前电动汽车所用的主要动力电池 铅系列电池有铅酸电池等 燃料电池又称 连续电池 将活性物质不断注入能连续放电的电池 电动汽车的电能储存装置主要有 二次电池 超级电容器 飞轮电池 太阳能电池和车载发电装置等 1 二次电池 SecondaryBattery 又叫可充电电池 RechargeableBattery 现代电动汽车最常用的二次电池有铅酸蓄电池 Lead acid 镍 氢 Ni MH 电池 锂离子 Lithium ionization 电池 镍 金属氢化物 Ni MH 电池和铁电池等五类 蓄电池 StorageBattery 习惯上指铅酸蓄电池 也属于二次电池 2 超级电容器 SuperCapacitor 又叫电化学电容器它是一种新型的 双电层电容器 与常见的物理电容器不同 其特点是电容量大 比物理电容器的极限容量高3 4个数量级 达到了103F g以上 3 飞轮电池FWB FlyWheelBattery 亦称飞轮储能器 高速或超高速飞轮储能器它是利用飞轮高速旋转储存和释放电能的一种装置 这种电能储存装置目前应用得较少 但其应用前景仍然被不少研究和开发人员看好 一 电能储存装置的种类 电动汽车的电能储存装置主要有 二次电池 超级电容器 飞轮电池 太阳能电池和车载发电装置等 4 太阳能电池 solarcell 将太阳辐射直接转换成电能的器件 本课程不讲授 它是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置 以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流 而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段 5 车载发电装置车载发电装置主要有风力发电 质子交换膜发电等 一 电能储存装置的种类 二 电能储存装置的主要性能指标 对于EV 其电能储存装置应具有尽可能高的比能量 以保证汽车的续驶里程 对于HEV 其电能储存装置则应具有尽可能高的比功率 以保证汽车的动力性 几种二次电池的比能量和比功率比较 铁电池 主要用于高放电需求的产品 拥有比碱性电池长7倍以上的使用寿命 而且自放电低 储藏寿命长达15年 可大幅减少电池丢弃数量 此外 由于采用高能金属元素锂和全自然的硫化铁元素 铅 汞含量为零 所以它又被认为是一款真正的绿色环保电池 有高铁和锂铁两种 高铁电池以合成稳定的高铁酸盐 K2FeO4 BaFeO4等 为正极材料 铁电池 常用二次电池的的性能比较 超级电容在寿命 比功率和充 放电效率方面具有明显优势 锂离子电池则在比能量和比功率方面具有极强的竞争力 铅酸蓄电池各种指标均处于中等水平 但其突出优点是成本低 可靠性高 注 从优到差的顺序为 1 基本术语充电 放电 外部电源输入直流电能转换为化学能贮存的过程 将化学能以电能释放而向外电路输送电流 放电容量 电池在标准规定条件下的放电电量或有效工作时间 短路电流 电池短路后一瞬间流过的电流 可达额定电流的数十倍 放电率 放电率指放电时的速率 常用 时率 和 倍率 表示 时率 指以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数 倍率 指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值 数值上等于额定容量的倍数 时率 和 倍率 在数值上互为倒数 荷电状态SOC 使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值 常用百分数表示 放电深度DOD 指当前放电状态 DOD 1 SOC活性物质 电池放电时 能进行氧化或还原反应而产生电能的电极材料 充电率 充电时的速率 也用时率和倍率表示 恒压充电 恒流充电 保持充电器端电压不变 充电电流保持不变 极化 极化是电池由静止状态 电流i 0 转入工作状态 i 0 产生的电池电压 电极电位的变化现象 极化现象有阳极极化 阴极极化 欧姆极化 电阻极化 浓差极化和电化学极化充电效率 指充入电池的电能与所消耗总电能的百分比 三 二次电池的基本概念 2 主要性能指标开路电压 电池不放电处于断路状态时 电池两极之间的电位差被称作开路电压 开路电压下降很快或低于公称电压值时则是不正常的 内阻 内阻包括欧姆内阻和极化电阻两部分 极化电阻是电极反应形成的 与电极反应的本质及电池材料有关 工作电压 受放电制度的影响很大 放电制度是指电池放电时所规定的各种条件 主要包括放电方式 连续的还是间断的 放电电流 放电时间 终止电压 放电电阻 放电环境温度的高低等 终止电压 电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压 在低温或大电流放电时 电极极化大 活性物质不能得到充分利用 电池电压下降较快 因而终止电压低 放电曲线 电池工作电压随放电时间的变化曲线 下图为6Ah的Li离子电池在不同放电率下的放电曲线 可以看出 放电电流越大 时率越小 终止电压越低 容量 Ah 在一定放电制度下 电池给出的电量或有效工作时间 可分为理论容量 实际容量 额定容量和标称容量等 理论容量 根据蓄电池活性物质的特性 按法拉第定律计算出的最高理论值 一般用质量容量 Ah kg 或体积容量 Ah L 来表示 实际容量 在一定条件下所能输出的电量 等于放电电流与放电时间的乘积 额定容量 保证容量 按一定标准所规定的放电条件下 电池应该放出的最低限度的容量 达不到此值时 可认为该电池不合格 标称容量 公称容量 用来鉴别电池适当的近似安时值 由于是在没有指定的放电条件 因此 只标明电池的容量范围而没有确切值 能量 kW h 在一定的放电条件下 电池对外做功时所能输出的电能 功率 kW 在一定的放电制度下 电池在单位时间内所输出的能量 电池的功率决定电动汽车的加速性能和最高车速等 成本 电池的成本与电池的新技术含量 材料 制作方法和生产规模有关 寿命 指使用时间的长短或充 放电循环次数 单位为年 小时或循环次数 何时用容量来衡量 什么情况下用能量表示 思考 蓄电池的放电方式 1 工况放电 模拟实际运行时负荷的相应负载放电 2 倍率放电 蓄电池以额定电流倍数值进行的放电 3 深度放电 50 或更大容量被释放的程度 4 恒流放电 以受控的恒定电流进行放电 5 恒功率放电 以受控的恒定功率进行放电 充电效率 指充入电池的电能与所消耗总电能的百分比 2 恒压充电保持充电器端电压不变的充电法 3 涓流充电为补充自放电以保持完全充电状态的小电流充电 1 恒流充电充电电流保持不变的充电法 蓄电池的充电方式 要求 以高比功率提高加速 爬坡性能 高比能量延长续驶里程 并有寿命长 安全可靠 免维护 成本低 效率高 污染小 使用温度宽以及制作电池的原材料丰富等 各类动力储能装置的性能比较 3 性能比较 电池能量密度和比能量的变化 汽车的续驶里程 车速等与蓄电池的放电电流 放电端电压 效率 输出功率等密切相关 放电特性通常可表示为 U0 Ub IbRi式中 U0 蓄电池的开路端电压 V Ub 蓄电池放电时的端电压 V Ib 蓄电池的放电电流 A Ri 蓄电池的内阻 输出功率Pb IbUb Ib U0 IbRi 效率 b IbUb IbU0 U0 IbRi U0 1 IbRi U0蓄电池能输出的最大功率为 Pbmax U02 4Ri 输出最大功率时的放电电流为 Ibmax U0 2Ri 电流 功率和效率的关系 放电电流Ib与输出功率Pb 蓄电池的开路端电压U0和放电时的端电压Ub之间的关系如下图所示 初步确定蓄电池的单电池数量假设某HEV需要的最大电功率为30kW 单节电池的开路端电压U0 2V 蓄电池的内阻Ri 0 015 试计算所需电池数量 则单节蓄电池能输出的最大功率Pbmax 2 2 4 0 015 66 66W 所需蓄电池的单电池节数n 30000 66 66 450节 四 蓄电池充电原理与充电器 充电方法与充电过程1 充电方法蓄电池的充电可分为恒 定 流充电 恒 定 压充电和脉冲快速充电三种不同的充电方法 1 恒流充电 充电过程中使充电电流保持不变的充电方法优点 适应性好 容易将蓄电池完全充足 并有益于延长寿命 缺点 充电过程中需根据逐渐升高的蓄电池电动势调节充电电压 以保持充电电流不变 充电时间也较长 涓流充电 恰好能抵消电池自放电的一种充电方法 该充电速率对满充电的电池长期充电有利 最小电流充电 能使深度放电的电池有效恢复电池容量的前提下 把充电电流尽可能地调整到最小的方法 标准充电 采用标准速率充电 充电时间为一定值 高速率充电 在3h内就能充满电的方法 需要自动控制保护电路 2 恒压充电 充电过程中保持充电电压不变的充电方法充电电流随蓄电池电动势的升高而逐渐减小 充电电压过高会造成充电初期充电电流过大和过充电 如果电压过低则会使蓄电池充电不足 优点 充电时间短 充电过程无需调节电压 较适合于补充充电 缺点 不易完全充足 充电初期大电流充电对极板会有不利的影响 3 脉冲充电 充电过程中电流 电压不断变化的充电方法通常 先用脉冲电流对电池充电 然后让电池短时间 大脉冲放电 在整个充电过程中使电池反复充 放电 达到快速充电的目的 2 充电过程理想的充电过程应分为预充电 快速充电 补足充电 涓流充电四个阶段 前240s为预充电 其后为快速充电 电流一般在lC以上 快速充电时间由电池容量和充电速率决定 快速充电结束时电池并未充足 为了保证电池充入100 的电量 还应增加补足充电过程 补足充电的速率为0 2C左右 在补足充电过程中 当电池温度上升到超过55 时 应使充电器自动转入涓流充电过程 安装了控制器的智能充电器的充电过程 3 脉冲快速充电小电流充电 电池内产生的热量能够自然散去 温度不致过高 且不会产生过多的气体 但充电时间太长 无法满足HEV的使用要求 1 快速充电的理论基础快速充电需要研究和解决的关键问题是蓄电池充电可接受电流和充电极化问题 充电接受能力是指在电解液只产生微量分解析气的前提下所能够接受的最大充电电流 I I0e atI表示在充电过程中某一时刻t蓄电池的充电可接受电流 I0表示开始充电时蓄电池的充电可接受电流 a表示充电可接受电流衰减常数 在充电的任一时间t 只要充电电流大于当时的可接受电流 就会出现 过充电 的现象 缩短充电时间的有效方法是使充电电流尽可能接近可接受电流 2 脉冲快速充电法原理 利用蓄电池充电初期可以接受大电流的特点 在充电初期 采用大电流 铅酸电池时 0 8 1C20 对蓄电池进行定流充电 使蓄电池在短时间内达到60 左右的容量 当单格电池电压达到2 4V 铅酸电池 电解液开始冒气泡时 则通过脉冲充电方法消除极化 第一步 用0 8 1C20电流对蓄电池进行定流充电 第二步 停止充电25ms左右 使欧姆极化消失 依靠扩散作用 使浓差极化部分消失 第三步 放电 放电的脉宽一般为150 1500 s 最大幅度为1 5 3倍的充电电流 反向电流 以消除电化学极化的电荷积累和极板孔隙中形成的气体 第四步 停止充电25ms 优点 能够缩短充电时间 初充电不超过5h 补充充电只需0 5 1 5h 分解析气量小 污染小 效率高 缺点 不能将蓄电池完全充足 且对蓄电池的寿命有不利的影响 3 快速充电终止控制方法常见的快速充电终止控制方法有定时控制 温度控制和电压控制等 定时控制根据电池的容量和充电电流 计算所需的充电时间 如对镍镉电池而言 采用1 25C充电速率时 电池lh可充足 采用2 5C充电速率时 30min可充足 只有充电速率小于0 3C时才允许采用这种方法 温度控制通常 当电池温度上升到规定数值后 立即停止快速充电 为了实现这个功能 必须对电池的温度进行检测和控制 常用的温度控制方法有 1 最高温度法 当充电过程中电池温度达到45 时 立即停止快速充电 用与电池安装在一起的热敏电阻检测电池温度 缺点是热敏电阻的响应时间较长 且电池的最高工作温度与环境温度有关 2 温升 T 当电池的温升达到规定值后 立即停止快速充电 优点是可消除环境温度的影响 缺点是必须用两只热敏电阻 3 温度变化率 T t 电池充足电后 温度迅速上升 而且上升速率 T t基本相同 当电池温度每分钟上升1 时 应当立即终止快速充电 4 最低温度 Tmin 当电池温度低于10 时 采用大电流快速充电 会影响电池的寿命 电压控制 1 最高电压法 在充电过程中 当电池电压达到规定值后 应立即停止快速充电 缺点是难以精确判断电池已充足 由于电池充足的最高电压随充电速率 环境温度而变化 并且电池组中各单体电池的最高充电电压有所区别 因此用于确定终止快速充电的时间的最高电压值事先难以准确给出 2 电压负增量 U 法 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关 且不受充电速率和环境温度等的影响 因此 可以认为充电过程中电压出现负增量的时刻就是电池已充足电的时刻 缺点是电池电压出现负增量后 电池已经过充电 另外 此法对经过较长时间后电池电压才出现负增量的电池 如镍氢电池 将导致严重的过充电 3 电压零增量 0 U 法 综合控制 1 种类直接充电器带过压 欠压保护电路 电池反接保护电路等功能的自动 智能 充电器2 组成降压电路 变压器降压和电容降压两大类 整流电路 单向半波 全波 桥式全波整流等多种形式 控制电路 各种保护电路 充电器 自动充电器的组成框图 电动汽车的蓄电池充电器1 基本功能 对市电进行电力转换并提供直流电 供给与蓄电池额定条件相对应的电力 当蓄电池充满后自动停止充电 2 类型 车载和非车载两种 接触式和感应式车载充电器一般设计为小充电率 充电时间长 5 8h 充电器和电池管理系统 负责监控蓄电池的电压 温度和荷电状态 均安装在汽车上 相互之间容易利用电动汽车的内部线路网络进行通讯 非车载充电器一般设计为大充电率 质量和体积也较大 与电池管理系统在物理位置上是分开的 接触式 亦称耦合或传导式 将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电池充电 特点 简单 效率高 不足主要是充电电流小 充电时间长 感应式 通过电磁感应耦合的方式进行能量转换从而给电池充电 特点 使用方便 在恶劣的气候环境下进行充电也无触电的危险 充电器将50 60Hz的普通电转换成80 300Hz的高频电 然后将高频交流电感应到电动汽车上 充电时间大大缩短 蓄电池监测系统1 必要性 1 动力蓄电池在制造过程中 制作工艺等的差别 导致即使同一批次的电池 也存在着容量 端电压等的差异 2 蓄电池组在使用过程中 有时会出现单只电池损坏的情况 若未能及时发现这种情况 将导致其它蓄电池的性能受到严重影响 进而造成蓄电池组的损坏 2 组成 电池状态监测系统 控制系统 CPU及显示系统等组成 监测的电池主要参数有 电压 内阻 电解液浓度及充电温度等 电压的测量方法有电阻分压法 继电器开关切换法和分布式电压测量法等CPU根据输入的电池和汽车运行状态等参数向控制系统发出控制指令及显示有关参数 显示系统实时显示电池的电压 温度等工作状态参数 五 几种典型的二次电池 1 铅酸蓄电池 以酸性水溶液为电解质的蓄电池铅酸蓄电池是一种酸蓄电池 其特点是电极材料为铅及其氧化物 分类 半密封式及密封式 排气式和非排气式 贫液式和富液式 动力用和起动机用 装有密封气阀的密封铅酸电池常称为阀控铅酸蓄电池 编号 电动道路车辆用铅酸蓄电池 GB T18332 1 2001的命名规则 阀控密封式铅酸蓄电池以 m 表示 免维护铅酸蓄电池以 w 表示 水平铅酸蓄电池以 s 表示 可以看出 放电过程中生成H2O H2SO4的浓度会逐渐减小 因此 铅酸蓄电池的放电深度和H2SO4的浓度 电解液的密度 密切相关 故可以用比重计来测定H2SO4的密度 进一步测量铅酸蓄电池的放电深度 工作原理铅酸蓄电池的充 放电反应可以用下列化学方程式表示 PbO2 2H2SO4 Pb PbSO4 2H2O PbSO4 正极负极正极负极 负极的铅氧化成二价铅离子Pb2 释放了两个电子 形成了硫酸铅PbSO4 正极上的四价铅离子Pb4 被还原成二价铅离子Pb2 得到两个电子 也转变成硫酸铅PbSO4 构造 排气阀式铅酸蓄电池 普通铅酸蓄电池 蓄电池容量的影响因素极板构造的影响 极板面积大 参与电化学反应的活性物质多 容量大 放电电流的影响 放电电流越大 极板孔隙内参加电化学反应的活性物质数量减少 从而导致了蓄电池容量的下降 允许的放电时间越短 单位时间消耗的H2SO4越多 PbSO4产生速率越高 极板孔隙会很快被PbSO4阻塞 电解液不能及时渗透 造成孔隙内的电解液密度急剧下降 使蓄电池端电压很快下降至终止电压 电解液温度的影响电解液温度低 粘度大 渗透能力下降 蓄电池的容量下降电解液的溶解度与电离度也随温度降低而降低温度每下降1 容量下降约为1 小电流放电 或2 大电流放电 t 0 35 范围时 可以将t 下的实际放电容量Ct折算成25 时的标准容量C25 即C25 Ct 1 k t 25 式中 k 温度补偿系数 10h 5h 3h和1h放电时 k的取值依次为0 006 0 007 0 008 和0 01 可见 电池的热管理极为重要 电解液密度的影响密度过低时会因为离子数量少而导致容量下降 密度过高则又会因为其粘度增大 渗透能力降低 内阻增大 极板容易硫化而导致容量下降 因此 容量的最大值对应某一电解液密度 对于起动型蓄电池 在防止冬季使用时电解液结冰的前提下 尽可能采用偏低密度的电解液 铅酸蓄电池的特性及充 放电特性 测定电解液的浓度来了解铅酸蓄电池的电动势与开路电压铅酸蓄电池充电特性铅酸蓄电池恒电流放电特性 蓄电池的放电电压还与放电电流密切相关 大电流放电时蓄电池的端电压下降明显 平缓部分缩短 图中B C段 曲线的斜率也很大 放电时间缩短 测定电解液的浓度来了解铅酸蓄电池的电动势与开路电压铅酸蓄电池充电特性铅酸蓄电池恒电流放电特性 充电曲线 放电曲线 铅酸蓄电池的性能指标 以10C3放电电流放电时 其容量为50 以C3放电电流放电时 容量可达95 以上 比能量随比功率的增加而减少 放电深度超过50 输出功率明显下降 放电深度越深 需要的输入功率越大 危害铅毒铅酸电池工厂的铅尘对人体的毒害酸雾锑和砷 镉 锂电池 负极用金属锂作活性物质均为锂电池 包括锂原电池和二次锂电池 二次锂电池分类 我国发展锂电池有得天独厚的资源优势 锂的储存量约一半在中国 如青海 西藏等地蕴藏着丰富的锂 特别在一些盐湖 储存的大量锂通过蒸干等方法就能得到碳酸锂 再经提纯后就可作锂离子电池原料 锂电极电位最负为 3 045V 使以锂为负极的电池有比能量大 放电电压平稳 电压高 工作温度范围宽 40 50 以及寿命长等优点 为最具发展潜力的车用动力电池 按温度分为高温和常温两类锂二次电池 按电解质状态分为液体锂 凝胶锂和全固态锂三类二次锂电池 按电极材料分为液态锂离子电池 锂 聚合物电池和磷酸铁锂电池 五 几种典型的二次电池 负极为石墨 乙炔黑 微珠碳 碳纤维 裂解聚合物和裂解碳等锂碳化合物 1 液态锂离子电池 电解质为液态 正极为钴酸锂 由于钴资源稀缺 也有用镍酸锂或锰酸锂来取代 电解质为有机溶剂中溶有电解质锂盐的离子型导体 充放电的原理特点是以脱嵌可逆反应替代一般电池的氧化 还原反应 锂离子如同摇椅在正 负极间来回嵌入和脱出 所称 摇椅式电池 如图以正极为钴酸锂 LiCoO2 负极用碳化锂 C6Li 为例 充电时Li 从正极脱出 经电解质嵌入负极碳层间 放电时Li 从负极脱出 经电解质再嵌回正极 充放电时正 负极脱嵌反应方程式 与前述锂离子电池的主要区别 锂离子电池为液体电解质 聚合物锂离子电池采用呈 干态 或 胶态 的柔性固态聚合物电解质 2 聚合物锂离子蓄电池 锂聚合物单体电池结构较特殊 由总厚度仅为0 1mm的五个薄层叠加组成 它们分别为用金属箔作集电极 负极 胶体电解质 用锂箔作正极 绝缘层 所具有小型化 超薄化 轻量化 比能量高 安全性好 自放电小 外形可按需定制 适用温度范围宽等优势 是较理想的动力蓄电池 特点 正极为磷酸铁锂LiFePO4 3 磷酸铁锂电池 正极由铝箔连接橄榄石形LiFePO4 聚合物隔膜将正 负极隔开 它可被锂离子通过 而电子不能通过 负极由铜箔将碳 石墨 相连组成 充电时Li 从正极经隔膜移向负极 放电时Li 从负极经隔膜移向正极 优点 安全 环保 材料易得 寿命长 充放电与温度特性好 缺点 振实密度低使得体积较大 液态锂离子电池的主要优点 1 能量密度高 为同等容量的 i d或 i 电池的1 5 倍 2 电压高 端电压3 7 为 i d或 i 电池电压的 倍 3 无污染 环保 4 循环寿命长 寿命超过1000次 5 负载特性好 可以大电流连续放电 适合于动力电源 6 安全性好 聚合物锂离子电池的主要优点 1 具有液态锂离子电池的优良性能 2 容易装配 可制成任意形状和尺寸的电池 3 电池很轻 很薄 可制成厚度仅lmm的极薄电池 一只12V的电池组可以只有3mm 4 不存在游离电解质 电池可以在低压下工作 消除了漏液问题 5 电池结构可大大简化 不需要金属外壳和高压排气装置 不会产生燃烧爆炸等安全问题 6 可以简化甚至取消充电保护装置 7 不会发生液体电液泄露现象 外壳可采用铝塑复合薄膜制造 提高比容量 质量比能量比目前的液态锂离子电池提高50 以上 8 在工作电压 充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高 优点 聚合物锂离子电池的性能 动力锂电池规格表 锂离子电池充电特性用标准充电电流充电2 5h 当单体电池电压上限达到4 5V后 改用恒压充电 在整个充电过程中 电池的温度约升高2 这种锂离子电池的寿命可以达到1000次循环 锂离子电池放电特性不同放电倍率下放电 电池的容量和能量随放电倍率的增加而降低 在1C放电倍率下放电时 相当于1 3C放电倍率下放电时的95 的负荷特性 在2C放电倍率下放电时 相当于1 3C放电倍率下放电时的88 的负荷特性 在3C放电倍率下放电时 相当于1 3C放电倍率下放电时的70 的负荷特性 电池的内阻随放电倍率的增加而增加 锂离子电池的充电特性 锂离子电池在不同放电倍率下放电特性 锂离子电池主要问题 快速充 放电的性能较差 需要进一步解决对其充放电过程的控制和配备专用的充电器 对于大容量锂离子电池组 还需要解决电池组的可靠性和各个单体电池之间的一致性 钴系锂离子电池在过充电状态时会引起电池爆炸 需要用安全阀以防止电解液受高温气化后产生的压力升高 安装自动温度调控装置 进行过充 放电的保护 锂的制取困难 管理和使用复杂 要求有严格的安全措施 需要配备电子保护电路 电池管理系统和热管理系统等 使得其附属装置更复杂 也增加了电池组的成本 三菱汽车公司开发EV用锂离子单蓄电池和HEV用锂离子蓄电池总成的技术指标 特点是比功率高 非常适合HEV对蓄电池的要求 该电池已被用于三菱汽车公司开发EV和HEV上 EV用LEV95P单电池的技术指标 HEV用LEC33锂离子单电池的主要性能指标 锂离子电池的特点是能量密度高 质量轻 其能量密度约为铅酸电池的3倍 镍系电池的1 5 2倍 采用锂离子电池由于自重减轻 续驶里程可以达到200km以上 单节电池的放电特性如下图所示 锂离子蓄电池的命名规则 GB Z18333 1 2001对电动道路车辆用锂离子蓄电池的规定 锂离子蓄电池的额定容量用C3表示 即在20 5 条件下 以1I3 A I3 C3 3 电流放电达到放电终止电压 最低为2 52V 蓄电池所输出的电量 命名规则为 用I代表了锂离子蓄电池 C代表了氧化钴锂正极 N代表了氧化镍锂正极 M代表了氧化锰锂正极 P代表了方形单体电池 R代表了圆柱形单体电池 3 飞轮电池飞轮电池FWB FlywheelBatteries 的概念定义 利用飞轮高速旋转储存和释放能量的一种装置 特点 质量轻 仅几十公斤 转速高 达每分几十万转 材料 轻质复合材料转子 磁悬浮轴承 高强度碳纤维复合材料等 要求 具有能够承受超高速运行的高强度飞轮 具有能够将电能和机械能进行高效双向转换的电动机和功率变换器 与传统质量飞轮相比 飞轮质量轻而转速极高 五 几种典型的二次电池 飞轮电池在电动汽车上的功用FWB既可作为独立的动力源直接驱动车辆行驶 也可作为辅助动力源 作用有二 稳定主动力源的功率输出 即在电动车辆起动 爬坡和加速时 快速 大能量地提供动力 放电 减少主动力源的动力输出 提高制动能量回收效率 即在电动车辆下坡 滑行和制动时 FWB能够快速 大能量地储存动能 充电 充电速度不受 活性物质 化学反应速度的影响 再生制动时能量回收的效率大大提高 飞轮电池的特点比能量高 比功率大 电能和机械能之间的转化效率高 能快速充电 可实现免维护和具有良好的性价比等优点 作为辅助能量源有以下特点 减弱了对电池比能量和比功率要求 有利于优化电池的能量密度和循环寿命设计 降低电池的输出功率和放电电流 提高电池的可利用能量和使用寿命 由于飞轮的负载均衡作用 车辆低功率行驶以及制动时 飞轮可以高效率地实现补充充电和制动时的能量回收 使车辆的续驶里程明显提高 飞轮电池的工作原理飞轮电池是利用转速不同时 飞轮动能不同这一原理工作的 飞轮动能与其转动惯量J和飞轮角速度 的关系式为 E J 2 2 提高飞轮储存能量的途径 增大转动惯量J 措施 增大飞轮直径和质量 但导致汽车的自重增加 提高角速度 更有效 在密封的真空外壳中 高速飞轮的转速可以达到200000rpm以上 但实际采用的最高转速约为50000rpm左右 质量和转速的增加受材料的极限强度和飞轮安全性的限制 飞轮比能量的计算公式为 e 2 72K 式中 e为飞轮单位质量的蓄能 K为飞轮形状系数 为材料的密度 为材料的许用应力作用在飞轮上的最大应力与飞轮的几何形状 密度和工作转速有关 最佳设计是选用 比值高的材料作飞轮转子 超高速飞轮转子复合材料特性参数 飞轮电池结构特点组成 主要由飞轮 复合转子 永磁电动 发电机 固定轴 旋转轴 轴承 真空室等 飞轮的常见形状如图所示 一种是飞轮的厚度随半径的增加而减小 另一种则与此相反 飞轮的厚度随半径的增加而增加 支撑方式 机械 超导磁悬浮 电磁悬浮 永磁悬浮等多种支承方式 也有采用组合方式的 飞轮电池中的内置电机 既是电动机也是发电机 通常称之为电动 发电机总成 常用的电机有永磁无刷电机 三相无刷直流电机 磁阻电机和感应电机等 飞轮储能系统还包括真空腔 外壳和控制系统等 开发实例 本田汽车公司开发的飞轮电池 主要由飞轮 真空室 电动机 发电机 驱动控制单元 旋转轴 高速轴承 充电 放电系统等组成 为了获得真空室所需的真空 真空室采用了铝制盒和 O 形圈 可维持10Pa以下的压力一年以上 驱动控制单元的作用是控制电机工作 实现电能与机械能的相互转换 在输入电能时 可将交流电转换成直流 驱动电动机 而在输出电能时则将直流变成交流 并且具有调频 整流 恒压等功能 飞轮形状 由内 中 外三圈组成 内圈为A7075 T16铝材 中间为高强度碳纤维CFRP T300 材料 外圈为高弹性的CFRP M40J 材料 内圈直径为180mm 外圈直径为270mm 常用转速25000 50000r min 安全转速70000r min 外形尺寸为 270mm 130mm FWB系统质量49 4kg 最大能量323Wh 效率 随SOC 蓄电量 的变化 小功率时效率较低 大功率时效率较高 其效率在90 以上 存在问题 车辆转弯或产生颠簸偏离直线行驶时 飞轮将会产生陀螺力矩 陀螺力矩将严重影响车辆的操纵性能 若飞轮出现故障 存储在飞轮中的能量就会在短时间内释放出来 对车辆会产生巨大破坏 例如 若1kW h的飞轮失效 在1 5s内将产生720 3600kW的功率输出 因此故障抑制一直是超高速飞轮用于电动汽车面临的巨大障碍 减小陀螺力矩的措施 使用多个小型飞轮 并把它们连接成组 一半以顺时针旋转 另一半以逆时针旋转 理论上 作用在电动汽车上的总陀螺力矩为零 同样 采用多个小型的飞轮模块也可减小超高速飞轮失效时对车辆造成的破坏程度 但也面临可能出现的比能量和比功率减小的问题 目前 出现了一种新型的故障抑制措施 该措施采用增大飞轮转子边缘的厚度 而不是按照等应力设计原则减小飞轮的边缘厚度 当飞轮转子出现故障时 转子边缘较厚的部分就会首先脱落 起到保险丝的作用 4 超级电容器电容器 储存电荷的容器 超级电容器 supercapacitor 是一种新型的电容器 它的出现使得电容器的极限容量上升了3 4个数量级 达到了103F g以上的大容量 优点 不存在对环境的污染 无噪声 结构简单 质量轻 体积小 能够实现快速充电 在极短时间内即可完成电容器充电 比功率高 可达到1kW kg 循环寿命长 万次以上 使用年限超过5年 五 几种典型的二次电池 HEV启动和停车频繁 导致电能储存装置的放电过程变化很大 正常行驶时 使用的电功率相当低 但在加速和爬坡时需要的峰值功率又相当高 因此 HEV非常重视储能装备的比功率和寿命问题 超级电容器的特点恰巧是比功率高和循环寿命长 下图为某燃料电池HEV使用超级电容器的一个实例 超级电容器仅在启动的瞬间作为汽车驱动系统主要动力源 而在其它条件下仅为辅助动力源 在全负荷加速时 充当的是辅助动力源的角色 在正常行驶或减速 制动时充当的是储存能量的角色 超级电容器的主要性能指标 5 石墨烯电池利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性 开发出的一种新能源电池 突出优势 把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟 石墨烯电池实现产业化后 将带来电池产业的变革 从而也促使新能源汽车产业的革新 如 美国加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种以石墨烯为基础的微型超级电容器 该电容器不仅外形小巧 而且充电速度为普通电池的1000倍 可在数秒内为汽车充电 同时可用于制造体积较小的器件 五 几种典型的二次电池 西班牙Graphenano公司 以工业规模生产石墨烯的公司 同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池 其储电量是目前市场最好产品的三倍 电池热管理系统实际运行中 电池的充电和放电所引起的温度不均衡是导致电池组失效的主要原因之一 因此 包含热管理单元的电池管理系统是决定电动汽车电池商业化的关键技术 充放电过程中的电化学反应都是在特定的温度范围内才能够发生 一般地 电池使用的最佳温度为10 50 并能在此温度范围内获得性能和寿命的最佳平衡 化学反应伴随着热效应 则电池的实际化学反应温度并不等于环境温度 无论是电池内部各部分之间的电化学阻力还是电子传导阻力 电阻 它们在电流通过时 充电 放电 都会放出热量 当电池用作驱动时 放电电流很大 10C和20C的电流 相当于上百或几百安培 很小的电池内阻就可能引起很大的热量放出 电池热管理系统温度会影响电池的如下性能 电化学系统的运行 充放电效率 电池可充性 容量和功率 电池的可靠性和安全性 电池的寿命和循环成本 电池热管理系统电池热管理系统是保证电池组工作在适宜温度范围的整套系统 主要包括电池箱 传热介质 监测设备 管理系统 冷却或加热系统等 其主要功能包括以下4个方面 1 使电池始终工作在适宜的温度下 2 降低电池单体中温度分布不均 避免电池间不平衡而降低性能 3 消除与失控温度有关的潜在危险 4 提供通风 保证电池所产生的潜在有毒气体能及时排出 从而保证电池能够安全运行 因此 电池热管理系统包括对电池的冷却和加热 而冷却则更是必需的环节 电池热管理系统强制空气冷却 液体冷却两种方法 已经被证明是有效的 也得到了广泛的研究开发 主要组成包括 风机 泵 换热器 加热器 管线以及其它附件等 结构复杂 但成本较低 缺点 系统复杂 且占用空间大 电池放电产生的热量未能回收 甚至在寒冷地区启动车辆时还需要加热电池 不利于能量的合理利用 如 丰田公司的Prius采用比较复杂的空气冷却热管理系统 其控制策略是抑制热问题对电池的损害 利用了Ni2MH电池约为40 的能量 主要原因是在较低的DOD情况下 电池产生的热量小 电池的寿命能够得到一定程度的提高 即以牺牲电池容量和功率的代价来控制电池内部的温度升高 换取较长的运行寿命 电池热管理系统电池箱合理的电池箱设计是保证电池在合适温度范围工作的前提 电池的封装 通常采用三层结构 电池舱 电池箱和电池单体 电池热管理系统传热模型 电池热管理系统 热管理系统设计依据 电池模块的产热速率及电池的热容量等相关参数 1 产热速率 电池生热的主要来源 一是充放电过程中电流流过的欧姆内阻 Q I2R 二是充放电过程的热力学焓的变化 影响因素 电池的化学成分和结构 荷电的初始状态和终止状态 电池的初始温度 充 放电速率及模式 测量方法 通过量热装置 或一种电化学量 热联合装置在电池充电 放电过程中进行热测量 V Q t能量效率 1 电池产生的热 输入或输出的电能 100 电池热管理系统 搜集整理了几种电池在一定温度和特定放电模式下的平均产热速率 其中VRLA电池和NiZn电池是从100 荷电态放电到0 荷电态 而锂离子电池则是从80 荷电态放电到50 荷电态 电池热管理系统 热管理系统设计依据 电池模块的产热速率及电池的热容量等相关参数 2 电池的热容量热容量是指加热或冷却1kg电池物质使其升高或降低1 所需要的能量 单位为J kg 根据量热方法可获得电池模块由初始温度T1变化到终态温度T2所失去或获得的热量Q 则电池的热容量为 Cp Q m T1 T2 这里m为电池模块的总质量 kg 电池加热系统利用水暖式加热器的循环水路 每个电池舱的外壁紧贴一个内部有循环水套的散热器 散热器内部有独立的风机 散热器进风口与电池舱上部相通 排风口与电池舱底部相通 散热器工作时 首先来自水暖式加热器主回路的热水流过散热器内部的散热芯子 同时风机启动将电池舱上部的冷空气引入散热器内部加热后再排入电池舱的底部 之后 电池箱将热空气吸入箱内对电池加热 流经电池单体后温度降低的空气从电池箱顶部排入电池舱 再次被散热器风机吸入 循环加热 电池热管理策略工作模式分为三种 冷却模式 工作加热模式和不工作加热模式冷却模式 散热器不工作 电池箱顶部风扇低速持续工作 整车每运行10分钟 电池舱空调风机运行一分钟 电池舱横流风机同时运行1分钟 当电池舱内环境温度超过30 且超过乘客舱内温度5 以上时 电池舱空调风机与横流风机强制运行 电池箱顶部风扇处于高速持续工作状态 当某电池单体温度超过50 度时 电池舱空调风机与横流风机强制运行 电池箱顶部风扇处于高速持续工作状态 并报警 当某电池单体温度超过55 时 报警并切断电源 车辆停止运行 电池热管理策略工作加热模式 电池箱顶部风扇处于低速持续工作状态整车每运行10分钟 电池舱空调风机运行1分钟 电池舱横流